Высокие токи управления и малое падение напряжения на цепочке светодиодов снижают эффективность системы освещения

В статье рассматриваются вопросы оптимизации системы освещения на базе светодиодных ламп замены с точки зрения повышения эффективности и увеличения срока службы системы. Определены характеристики перспективных светодиодных ламп замены и проанализированы источники потерь мощности в схеме драйвера светодиода. Приведены ключевые факторы, которые влияют на падение общей эффективности светодиодной системы освещения. На базе сравнительного анализа двух конфигураций светодиодов предложены рекомендации по повышению эффективности и увеличению срока службы системы освещения. Статья представляет собой перевод [1].

За сравнительно короткий период развития отрасли твердотельных систем освещения на базе светодиодов много говорилось о необходимости системного подхода при разработке системы. Такой подход требует оптимизации различных составных частей и технологий в системе, в том числе светодиодных компонентов, решений по отводу тепла, оптики и электроники драйвера. Только недавно появилась возможность по новому подойти к проектированию такой многопрофильной системы, как светодиодная система освещения, так как специалисты в каждой из областей предложили свои оптимизированные решения. Но все же помехи остаются. Например, более яркие светодиоды, для управления которых нужны более высокие токи, создают проблему низкой энергоэффективности электроники драйвера. Развитие конфигураций драйверов и оптимизация характеристик светодиодов должны быть тесно связаны, чтобы обеспечить высокую эффективность систем освещения.

За последние 10 лет производители светодиодов существенно увеличили эффективность светодиодов. Решения в области твердотельных систем освещения были не столь экономичны, как существующие технологии освещения, и производители светодиодов сосредоточили свое внимание на увеличении отношения лм/Вт, или даже точнее говоря, лм/доллар.

Производители силовой электроники и микросхем потратили более 30 лет на то, чтобы накопить достаточный опыт в области AC/DC- и DC/DC-преобразователей напряжения и применить его для решения проблем управления светодиодами. Хотя в системах твердотельного освещения требуется драйвер постоянного тока, который отличается от обычных стабилизаторов напряжения, знания и опыт производителей силовой электроники позволили приступить к решению задачи на высоком уровне. Топологии драйверов светодиодов, использованные в самых первых системах твердотельного освещения, представляли собой, в значительной степени, модификации существующих стабилизаторов напряжения. Эф- фективные AC/DC-драйверы светодиодов, однако, имеют уникальные требования. Эти требования определили задачи и методы, использованные специалистами в области силовой электроники при разработки эффективных, надежных и экономичных решений для драйверов систем твердотельного освещения.

С развитием технологий и программ по энергосбережению, подобных Energy Star и Lighting Facts Label Министерства энергетики США, все силы были задействованы для ускорения массового внедрения твердотельных систем освещения. Производители светодиодов совершили невероятный прогресс в увеличении эффективности светодиодов. Оптическая отрасль сумела минимизировать потери светового потока и увеличить качество оптики. Производители силовой электроники и микросхем разработали специализированные драйверы и оптимизировали их для светодиодов. Но так ли хорошо обстоят дела на самом деле?

Для того, чтобы твердотельные светильники получили массовое распространение, окончательное решение должно быть конкурентоспособным по сравнению с существующими технологиями. Светодиоды являются наиболее дорогими компонентами в твердотельной системе освещения. Эти приборы изготавливаются на сравнительно небольших пластинах, и стоимость их производства не является оптимальной. Сейчас эта ситуация улучшается. Но производители светильников поняли, что простейшим средством снижения стоимости системы является уменьшение количества светодиодов в системе. Отрасль твердотельных систем освещения заставила производителей светодиодов создавать продукты с более высокой эффективностью, а также светодиоды, которые имеют увеличенный световой выход — светодиоды более высокой мощности, которые работают при более высоких токах.

Однако возникла другая проблема, связанная с тем, что производители светильников стали использовать светодиоды более высокой мощности и постоянно уменьшают количество светодиодов, требующихся в системе. Уменьшение числа светодиодов положительно сказалось на снижении стоимости продукта, но это создало непредвиденную техническую трудность при достижении более высокой энергоэффективности системы. Эта проблема впервые была замечена на рынке светодиодных ламп замены типа A19/E27.

Специалисты в области твердотельных систем освещения полагали, что драйверы светодиодов улучшат свою эффективность (или, по крайней мере, она останется на том же уровне) при снижении количества светодиодов в системе и при увеличении светового выхода светодиодов. Выяснилось, что эффективность упала. Рассмотрим пример, а затем обсудим, как это получилось.

Типовая светодиодная лампа замены 60-Вт лампы накаливания имеет следующие характеристики:

– напряжение: 10 последовательно включенных светодиодов (31…36 В);

– прямой ток светодиода: 350 мА;

– выходная мощность (макс.): 12,6 Вт;

– внутренняя рассеиваемая мощность:

Используя более яркие светодиоды, производители твердотельных систем освещения ожидали уменьшить количество светодиодов в системе, увеличить ток управления светодиодов и достичь небольшого увеличения эффективности. В качестве целевых для светодиодных ламп замены следующего поколения были приняты следующие характеристики:

– напряжение: 5 последовательно включенных светодиодов (15…17 В);

– прямой ток светодиода: 700 мА;

– выходная мощность (макс.): 11,9 Вт;

– внутренняя рассеиваемая мощность:

В реальности получилось, что конструкция с меньшим числом светодиодов не соответствует заявленной спецификации. Характеристики системы отвечали требованиям по световому выходу и выходной мощности. Но эффективность системы упала. Характеристики системы оказались следующими:

– напряжение: 5 последовательно включенных светодиодов (15…17 В);

– прямой ток светодиода: 700 мА;

– выходная мощность (макс.): 11,9 Вт;

– внутренняя рассеиваемая мощность:

Достижение заявленных показателей по системной эффективности, конечно, было проблемой и при реализации данного проекта соответствие требованиям Energy Star могло быть под вопросом. Рассеиваемая мощность также вызывала беспокойство, но по другим причинам. Тепло, выделяемое из-за потерь мощности, могло вызывать проблемы с надежностью. Проблема выделения тепла могла также увеличить стоимость из-за необходимости использования большего числа радиаторов или заливки электроники компаундом.

Чтобы понять причины падения эффективности, рассмотрим источники потерь мощности. Потери в каскаде преобразования энергии можно разделить на три типа, а именно, потери проводимости, потери на переключение и потери холостого хода.

Все кремниевые приборы и пассивные компоненты драйвера светодиодов имеют внутренние сопротивления. Протекание тока через сопротивление приводит к потерям мощности: IRMS2 х R. В зависимости от качества и типа выбранных компонентов (MOSFET, диоды, магниты), величина потерь может меняться с изменением характеристик системы.

Потери на переключение происходят во время переходного процесса при включении одного MOSFET или диода и одновременного выключения другого MOSFET или диода. Преобразователь, работающий на частоте 200 кГц, будет иметь в два раза больше потерь на переключение, по сравнению с преобразователем, работающим на частоте 100 кГц, однако существует оптимальное соотношение между рабочей частотой коммутации и потерями мощности. Коммутация на более высокой частоте допускает использование меньшей индуктивности катушки и более компактных компонентов, позволяя применять провода большего сечения, что может снизить потери проводимости.

Потери холостого хода связаны с питанием внутренних цепей. В подобных драйверах светодиодов можно получить одинаковую выходную мощность (POUT = ILED · VLED-Stack), но в зависимости от напряжения и токов в системе, а также типов компонентов эффективность системы может меняться в широких пределах.

Изучив схему, показанную на рисунке 1, и, учитывая источники потерь мощности, можно сделать некоторые предположения относительно падения напряжения на цепочке последовательно соединенных светодиодов VLED-Stack и тока ILED, протекающего через эти светодиоды, в твердотельной системе освещения. Благодаря увеличению тока через уменьшенное число светодиодов световой выход может достичь требуемой величины, но эффективность может снизиться. Экспресс-анализ позволяет определить следующие факторы, которые приводят к падению эффективности в системе.

– Потери проводимости в катушке L3 будут возрастать с увеличением прямого тока светодиода.

– Потери на переключение в обратном диоде D4 возрастают, когда увеличивается прямой ток светодиода.

– При уменьшении падения напряжения на цепочке светодиодов VLED-Stack увеличивается доля времени, когда обратный диод D4 находится в проводящем состоянии, относительно времени, когда включен главный коммутирующий MOSFET Q4. Этот диод будет иметь большие потери проводимости, чем MOSFET, и поэтому потери мощности в системе увеличиваются.

– Потери проводимости увеличиваются в главном коммутирующем MOSFET Q4 с увеличением тока светодиода.

Приятной новостью является то, что системный подход к проектированию может обеспечить создание более эффективных светодиодных продуктов, в том числе ламп замены. Оптимизация всех элементов системы от выбранного светодиода до драйвера может обеспечить создание конкурентоспособного продукта, который также соответствует требованиям по эффективности и надежности.

Компании-разработчики продуктов силовой электроники приступили к разработке решений для драйверов светодиодов, которые показывают высокую эффективность, когда падение напряжение на цепочке светодиодов весьма мало по сравнению с входным напряжением. Кроме того, National Semiconductor и другие компании создали драйверы светодиодов, которые позволяют обеспечить требования программы Energy Star.

Анализ в лабораторных условиях многих различных типов светодиодов и конфигураций драйверов показал, что при использовании меньшего числа светодиодов с более высоким прямым током достичь соответствия продукта требованиям Energy Star для рынка ламп было бы намного сложнее. При этом, производители светодиодов осознают, что концентрация усилий на разработке эффективных светодиодов еще не обеспечивает успех полной системы освещения на рынке. Производители светодиодов все в большей мере интересуются тем, каким образом их светодиоды используются на рынке и создают такую конфигурацию приборов, которая помогает оптимизировать конкретное решение в области твердотельных систем освещения. Светодиоды, которые используются в лампах замены типа A19/PAR, должны сильно отличаться от светодиодов для систем уличного освещения и в лампах типа MR16. Работая вместе с разработчиками из разных областей, производители светодиодов в последнее время спроектировали светодиоды, специально предназначенные для конкретных приложений.

Поставщики светодиодов начали предлагать приборы специализированного применения. Одним из таких новых продуктов компании Cree является светодиод MX-6S. Этот прибор отличается от более старой версии MX-6 измененной конфигурацией и обеспечивает существенные преимущества при использовании его в конкретном приложении; и, в данном случае, его преимущества проявляются при использовании в лампах замены. MX-6 содержит 6 параллельно включенных светодиодов в одном корпусе. Ток каждого светодиода в корпусе составляет до 150 мА; таким образом, суммарный ток всех светодиодов достигает 1000 мА. Светодиоды имеют прямое напряжение от 3,2 до 3,6 В.

Новый светодиод MX-6S имеет 6 внутренних светодиодов, включенных последовательно. Прямой ток последовательной цепи достигает 115 мА. Светодиод MX-6S имеет прямое напряжение от 19 до 22 В. Упрощенная конфигурация светодиодов MX-6 и MX-6S показана на рис. 2.

Светодиодный кристалл в MX-6 и MX-6S идентичен — допуская, что эти кристаллы из одной и той же выборки по бинингу. Единственное отличие между двумя светодиодами — их внутренняя конфигурация. Это позволило осуществить в условиях лаборатории анализ влияния падения напряжения на цепочке светодиодов в лампе A19 на характеристики системы, работающей с обычным драйвером.

Был выполнен стендовый анализ, который позволил оценить возможность использования светодиодов Cree в лампах замены и определить рабочие характеристики системы. Анализ падения напряжения на цепочке светодиодов и токов имеет следующие цели и критерии.

– Оптимизация обычного драйвера светодиода для твердотельных ламп замены с помощью различных конфигураций светодиодов.

– Регистрация потерь мощности и критичной температуры компонента.

– Сравнение стоимости при реализации двух конфигураций схем.

– Выработка рекомендаций для конфигураций драйверов и светодиодов с учетом их характеристик, а также показателей надежности и технологичности.

Токи светодиодов были заданы таким образом, чтобы получить определенную величину светового выхода для каждого из вариантов проекта. При одинаковом световом выходе, мы получили достаточно сопоставимые системные показатели, такие как потери светового потока из-за влияния температуры. Контроль оборудования для измерения светового потока, теплоотводов и механической конструкции обеспечил получение сопоставимых результатов анализа.

На прототипе был выполнен эмпирический анализ конфигурации с низким и высоким падением напряжения на цепочке светодиодов. Светодиодная лампа была эквивалентна 60-Вт лампе накаливания со следующими параметрами:

– VIN = 115 ВAC ±20%;

– PF (коэффициент мощности): не менее 0,70;

– Срок службы светодиодной лампы: не менее 30000 час;

– Система совместима с диммерами с обратной и прямой фазой;

– Коэффициент ослабления яркости: не менее 50 :1;

– Эквивалент 60-Вт лампы накаливания по световому выходу (

Упрощенная схема лампы на базе светодиодов MX-6 (см. рис. 3) включает в себя 6 светодиодов MX-6, соединенных последовательно с током управления 600 мА. Каждый светодиод обеспечивает эффективность примерно 133 лм/Вт при токе 600 мА. В таблице 1 приведены рабочие характеристики для такой конфигурации.